DE1403773C - Druckmittelbetriebene Kolbenpumpe - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine druckmittel- druckes und des Auslaßdruckes darauf durch eine betriebene Kolbenpumpe. Motorventileinrichtung ergibt, die einen Teil der

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Pumpe bildet. Die Motor- und Pumpenkolbenvor-. strömungsmittelbetätigte Pumpe zu schaffen, bei richtung enthält eine querliegende Pumpenfläche, welcher Druckmitteldrücke benutzt werden, die viele 5 welche die ganze zwischen sich und der Oberfläche Male höher als die bisher benutzten sind, um zahl- befindliche Fördermittelsäule trägt und welche diese reiche Vorteile zu erzielen, wobei hohe Drücke be- Säule während eines Arbeitshubes der Kolbenvornutzt werden, die ein solches Verhältnis gestatten, richtung nach aufwärts durch das Förderrohr bewegt, daß ein sehr reduziertes Betriebsströmungsmittelvolu- wobei die Pumpe mit einem Arbeitsventil versehen men erzielt wird. Dies hat unter anderem eine Vermin- io ist, welches während dieses Arbeitshubes den Rückderung in den Strömungsmittelreibungsverlusten zur fluß in das Bohrloch verhindert. Um den Arbeitshub Folge. Die Verringerung in den Strömungsmittel- der Kolbenvorrichtung zu erzeugen, ist sie mit einer reibungsverlusten und des Volumens gestattet die Motorfläche versehen, auf welche der Antriebsdruck Benutzung von kleineren Rohrleitungen für das mindestens während des Arbeitshubes zur Anwen-Betriebsströmungsmittel. 15 dung kommt. In dem Falle einer einfach wirkenden

Nach der Erfindung ist eine druckmittelbetriebene Pumpe, auf welche die vorliegende Offenbarung der Kolbenpumpe, insbesondere zur Erdölförderung aus Einfachheit halber, jedoch ohne Beschränkung der Bohrlöchern, mit einem einen Einlaß- und einen Erfindung begrenzt ist, erfolgt der Arbeitshub der Auslaß aufweisenden Pumpenzylinder, einem in Kolbenvorrichtung nur in einer Richtung, und die diesem Pumpenzylinder zum Pumpen des Förder- 20 Bewegung der Kolbenvorrichtung in der entgegenmittels auf und ab bewegbaren Kolben, der eine gesetzten Richtung bildet nur den Rückkehrhub, obere, die Fördermittelsäule beim Arbeitshub wobei die Pumpe mit einem Saugventil versehen ist, hebende Arbeitskolbenfläche hat, von der aus sich welches den Rückfluß aus dem Förderrohr in das eine durch ein Ventil verschließbare Axialbohrung Bohrloch während dieses Rückkehrhubes verhindert, für das Fördermittel durch den Kolben hindurch 25 Normalerweise ist die Pumpe so gerichtet und konbis zu dessen unterer, das Fördermittel beim Ar- struiert, daß der Arbeitshub der Motor- und Pumbeitshub ansaugenden Arbeitskolbenfläche erstreckt, penkolbenvorrichtung in der Aufwärtsrichtung erwobei der Kolben in seinem mittleren Teil durch folgt, wobei der Rückkehrhub der Kolbenvorrichtung Verringerung seines Durchmessers zu einer Stange der Abwärtshub derselben ist.
als Druckmittelmotor mit einer oberen und einer 30 Eine strömungsmittelbetätigte Pumpe der vorsteunteren kreisringförmigen Motorkolbenfläche ausge- henden Art kann entweder in einem offenen System bildet ist, welche beiden Motorkolbenflächen durch benutzt werden, wo das erschöpfte Druckmittel mit eine stufenförmige, zwei Motorzylinder bildende dem Fördermittel gemischt und durch das Förder-Verengung des Pumpenzylinders voneinander ge- rohr zur Oberfläche zurückgebracht werden kann, trennt sind und wobei eine der Motorkolbenflächen 35 oder in einem geschlossenen System, wo das eretwas größer als die andere der Motorkolbenflächen schöpfte Druckmittel durch ein getrenntes Rückist und abwechselnd unter dem Druck des Druck- leitungsrohr an die Oberfläche befördert wird. In mittels steht, welches durch eine Motorventileinrich- dem Falle eines offenen Systems ist der Auslaßtung geliefert wird, die sich davon im Abstand druck, der auf den Motorabschnitt der strömungsbefindet und einem durch die Motorventileinrichtung 40 mittelbetätigten Pumpe wirkt, der Fördersäulendruck, gelieferten Entleerungsdruck, wobei die andere der während in einem geschlossenen System der Auslaß-Motorkolbenflächen sich konstant unter dem Druck druck, der darauf wirkt, der Rückleitungssäulendes Druckmittels befindet, dadurch gekennzeichnet, druck ist. Zur Bequemlichkeit ist die vorliegende daß der Durchmesser des Kolbens in seinem mittle- Offenbarung auf ein geschlossenes System beschränkt, ren Teil in einem solchen Maße zu der Stange ver- 45 ohne die Erfindung darauf zu begrenzen,
ringert ist, welches ein Verhältnis der Arbeitskolben- Im Gegensatz zu bekannten Pumpen, bei denen

fläche zu der Motorkolbenfläche von mindestens die Strömung durch die Rohre in entgegengesetzten 3: 1 und höchstens 5:1 ergibt. Richtungen wechselt und bei denen auch andere

Allgemein schließt irgendeine strömungsmittelbe- Verhältnisse vorliegen, erfolgt bei Pumpen nach der tätigte Pumpe einen Pumpenabschnitt ein, der durch 50 Erfindung die Strömung immer in der gleichen Richeinen strömungsmittelangetriebenen Motorabschnitt tung, und eine Motorventileinrichtung wendet abantreibbar ist, um ein Strömungsmittel aus einer wechselnd den Betriebsströmungsmitteldruck und den Bohrung oder einem Brunnen, in welchem die Pumpe Entleerungsdruck auf eine der Motorflächen an, um angeordnet ist, nach aufwärts durch einen Förderrohr- die gewünschte Hin- und Herbewegung zu erzeugen, satz in der Bohrung an die Oberfläche zu pumpen. Ins- 55 Es ist auch zu bemerken, daß bei bekannten Pumpen besondere enthält eine solche Pumpe eine Zylinder- ein Axialdurchgang durch den Kolben fehlt,
einrichtung, die einen mit der Bohrung in Ver- Die Erfindung beschränkt die Pumpen auf eine

bindung stehenden Einlaß sowie einen mit dem verhältnismäßige enge Klasse von Pumpen, nämlich unteren Ende des Förderrohres in Verbindung ste- solche, welche zwei entgegengesetzt gekehrte Motorhenden Auslaß besitzt. In der Zylindereinrichtung 60 flächen benutzen, wobei eine konstant dem Betriebsbefindet sich hin- und herbewegbar eine Motor- und strömungsmitteldruck unterworfen und die andere eine Pumpenkolbenvorrichtung, die miteinander ver- abwechselnd dem Betriebsströmungsmitteldruck und bundene Motor- und Pumpenkolbenelemente enthält, dem Entleerungsdruck unterworfen ist und ein Axialum das Strömungsmittel aus dem Bohrloch nach durchgang für das Produktionsströmungsmittel voraufwärts durch das Förderrohr an die Oberfläche 65 handen ist. Die Motorflächen sind durch eine Stange zu pumpen, wobei sich eine hin- und hergehende von reduziertem Durchmesser bestimmt.
Bewegung der Motor- und Pumpenkolbenvorrichtung Die Erfindung ist, wie gesagt, durch die Tatsache,

aus der abwechselnden Anwendung des Antriebs- gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Stange um

einen Betrag reduziert ist, der ein Verhältnis von Pumpenfläche zu Motorfläche von 3:1 bis 5 :1 hat. Keine der bekannten Pumpen offenbart auch nur entfernt eine solche Kombination von Merkmalen, und das kennzeichnende Merkmal besteht in der Kombination mit bekannten Merkmalen, wodurch die zahlreichen und wichtigen Vorteile hervorgerufen werden, die in der Beschreibung erklärt sind.

Bisher sind strömungsmittelbetätigte Pumpen mit

wird, kann der Druckmitteldruck, der gemäß der Erfindung benutzt wird, Werte erreichen, so hoch, wie 1400 bis 1750 kg/cm² oder mehr, was von dem Gewinnungsausmaß, der Pumpentiefeneinstellung, 5 dem spezifischen Verhältnis von benutzter Pumpenfläche zur Motorfläche, der Größe der Rohrleitungen, durch welche das Druckmittel fließt, und von anderen zu beachtenden Faktoren abhängt.

Es sind zahlreiche Vorteile und neue Ergebnisse

Motorflächen versehen gewesen, die im Vergleich io aus dem Hochdruckbetrieb ableitbar, die logischerzu den Pumpenflächen groß waren, so daß die Pump- weise als »Superdruck«-Wirkung bezeichnet werden systeme, in welchen diese Pumpen einverleibt sind, können und die als Folge der Schaffung einer strögroße Volumen von Druckmittel bei verhältnismäßig mungsmittelbetätigten Pumpe mit einer Pumpenniedrigen Druckmitteldrücken benutzen mußten. Bei- fläche zum Motorflächenverhältnis von 3:1 oder spielsweise sind herkömmliche strömungsmittelbetä- 15 höher erreichbar sind.

tigte Pumpen gewöhnlich mit Verhältnissen der Beispielsweise werden die Strömungsmittelrei-

Pumpenflächen zur Motorfläche in der Größenord- bungsverluste in den Rohrleitungen, durch welche nung von 0,65:1 bis 1,05:1 versehen, wobei der das Druckmittel zirkuliert, weitgehend gegenüber Durchschnitt etwa 1:1 ist. Mit diesen Verhältnissen denjenigen vermindert, die mit den kleinen Verrangieren die Druckmitteldrücke etwa von 120 bis 20 hältnissen von Pumpenfläche zur Motorfläche fest-270 kg/cm² für die Durchschnittspumpentiefenein- gestellt wurden, und den sich ergebenden niedrigen stellung von 1524 m. Druckmitteldrücken, die bisher benutzt wurden. Dem-

Solche geringen Verhältnisse der Pumpenflächen entsprechend vermindert die Erfindung weitgehend zu den Motorflächen sowie die entsprechenden ge- den Kraftbedarf der hydraulischen Pumpe, in welringen Druckmitteldrücke erfordern große Druck- 25 chem sie verkörpert ist, und erhöht weitgehend den mittelströme durch die Rohre der hydraulischen Gesamtwirkungsgrad, was ein wesentlicher Vorteil ist. Pumpe. Dementsprechend sind hohe Strömungs- Da die vorliegende Erfindung wesentliche Vermittelreibungsverluste in den Rohren festgestellt, minderungen in den Druckmittel-Reibungsverlusten durch welche das Druckmittel zirkuliert, insbeson- ergibt, können kleinere Rohrleitungen für das Druckdere in Bohrlöchern, die hohe Gewinnungskapazi- _3o mittel benutzt werden, was den Vorteil einer erhebtäten haben. Diese Strömungsmittelreibungsverluste liehen Verminderung, der Kosten der Anlage hat. können in einigem Ausmaß durch Vergrößerung der Der Superdruckbetrieb erhöht auch merklich die Rohrleitungen der strömungsmittelbetätigten Pumpe Kapazität der Pumpe, oder aber es kann die gleiche vermindert werden, durch welche das Druckmittel Kapazität mit einer viel kleineren Einheit erreicht fließt, aber dies ist teuer, und das Ausmaß, bis zu ₃₅ werden.

welchem diese Rohrleitungen vergrößert werden Faktoren, wie die vorhergehenden, ermöglichen

können, ist sehr durch den kleinen Durchmesser des es, durch die Erfindung die Bohrloch- und Ausklei-Bohrloches beschränkt. dungskosten für eine spezielle Pumpkapazität zu Ein anderer schwerwiegender Nachteil der frühe- vermindern als Ergebnis der Verminderung der ren strömungsmittelbetätigten Pumpen ist der, daß ₄₀ Rohrleitungs- und Pumpengrößen, da ein kleineres die großen, vorher benutzten Motorflächen schwer- Bohrloch benutzt werden kann. Anders ausgewiegend die Größen der Fördermitteldurchgänge drückt, ergibt die Erfindung eine minimale Kapitaidurch die Pumpen beschränken, sowie die Größen Investierung beim Bohren und Auskleiden des Bohrder darin einverleibten Arbeits- und Saugventile, loches sowie in der hydraulischen Anlage pro Erwobei die Größen dieser Durchgänge und Ventile 45 zeugungskapazitätseinheit.

üblicherweise auf der Basis eines Kompromisses ge- Ein anderes Merkmal der Erfindung besteht darin,

wählt werden, der durch den Raum vorgeschrieben daß die erforderliche Menge an Druckmittel pro ist, der durch den Motorabschnitt der Pumpe ein- Produktionskapazitätseinheit aufs Äußerste verringenommen wird. gert wird, so daß das System zur Zufuhr des Druck-

Wie leicht verständlich ist, erzeugen die kleinen _5o Strömungsmittels in der Größe vermindert wird. Fördermitteldurchgänge und Ventile, die sich aus Dies vermindert weiter die Gesamtkapitalinvestierung einem solchen Kompromiß ergeben, erhebliche Strö- pro Produktionskapazitätseinheit,
mungsmittelreibungsverluste in der Pumpe selbst, Ein anderer wichtiger Vorteil der Erfindung ist

wobei diese zusätzlich zu den Verlusten in den der, daß die Oberflächenleistungen zur Leitung des Rohrleitungen des Systemes vorhanden sind, die sich 55 Druckmittels an das und aus dem Bohrloch erhebaus den großen Volumen an Druckmittel ergeben, Hch kleiner sein können. Dies vermindert noch die in einem Niederdrucksystem behandelt werden weiter die Kapitalkosten pro Produktionskapazitätsmüssen, in dem die Pumpen kleine Verhältnisse der einheit insbesondere dort, wo eine Druckmittelquelle Pumpenfläche zur Motorfläche haben. einer Anzahl von Bohrlöchern dient, so daß die

Ein wichtiger Zweck der vorliegenden Erfindung 60 Gesamtlänge der Oberflächenleitungen sehr groß besteht also darin, die vorhergehenden und verschie- sein kann. .

dene andere Nachteile der früheren Praxis durch Ein anderer Vorteil des Superdruckbetriebes' ist

Schaffung einer strömungsmittelbetätigten Pumpe zu der, wie mehr im einzelnen nachfolgend erklärt wird, überwinden, die ein großes Verhältnis der Pumpen- daß der benutzte Druck die Viskosität des Druckfläche zur Motorfläche hat, d.h. ein Pumpenflächen- 65 mittels durch das System hindurch im wesentlichen zum Motorflächenverhältnis von mindestens 3 : 1 konstant hält, d. h., der benutzte Druck erhöht die und durch Benutzung eines entsprechend hohen Viskosität auf ein genügendes Ausmaß, um die Druckmitteldruckes. Wie nachfolgend ersichtlich Verminderung in der Viskosität infolge der normalen

Zunahme in der Temperatur mit der Bohrlochtiefe aufzuheben. Das wesentliche Konstanthalten der Viskosität durch das System hindurch beschränkt auf diese Weise Leckverluste in der Pumpe und verbessert die Schmierung, welches wesentliche Merkmale sind.

Ein anderer und äußerst wichtiger Vorteil der vorliegenden Erfindung ist der, daß die Benutzung eines großen Verhältnisses von Pumpenflächen zu Motorflächen und ein hoher Druckmitteldruck die Größe des Motorabschnittes der strömungsmittelbetätigten Pumpe minimalisiert, so daß die Größe des Pumpenabschnittes im wesentlichen nur durch die Gesamtabmessungen der Pumpe begrenzt wird.

Das Ergebnis hiervon ist, daß der Pumpenabschnitt allein auf der Basis von Betrachtungen bezüglich des wirksamen Pumpens entworfen werden kann, wobei keine Notwendigkeit für einen Kompromiß in dem Entwurf des Pumpenabschnittes notwendig ist, der sich aus der Notwendigkeit ergibt, einen großen Teil des verfügbaren Raumes in der strömungsmittelbetätigten Pumpe dem Motorabschnitt derselben zuzuteilen. Auf diese Weise schafft die Erfindung einen Pumpenabschnitt, der größere Durchgänge für das Fördermittel hat, große Ventile u. dgl., was alles die Strömungsmittelreibungsverluste bezüglich der Fördermittelströrnung durch die Pumpe hindurch verringert.

Der Superdruckbetrieb der vorliegenden Erfindung erreicht besondere Nützlichkeit, wenn er bei einer strömungsmittelbetätigten Pumpe angewendet wird, in der die Motor- und Pumpenkolbenvorrichtung einen einzigen Tauchkolben enthält, der einen großen axialen Durchgang für das Fördermittel hat und ein großes Arbeitsventil trägt, welches die Strömung durch diesen Durchgang während des Arbeitshubes des Tauchkolbens verhindert, wobei das Gehäuse der Pumpe mit einem entsprechenden großen Ventil versehen ist, entweder in dem Einlaß oder dem Auslaß der Pumpe, welches den Rückfluß in das Bohrloch während des Rückkehrhubes des Tauchkolbens verhindert. Durch Benutzung eines Verhältnisses von Pumpenfläche zu Motorfläche von 3:1 oder höher mit einer solchen Pumpe ist der Durchmesser des axialen Fördermitteldurchlasses durch den kombinierten Motor- und Pumpenkolben hindurch ein wesentlicher Verhältnisanteil des Gesamtdurchmessers des Kolbens. Wie ersichtlich ist, vermindert dies die Fördermittelreibungsverluste durch die Pumpe auf ein Minimum, was ein wesentlicher Vorteil ist.

Während die strömungsmittelbetätigte Pumpe der Erfindung andere Formen haben kann, ist die Erfindung besonders bei einer Pumpe verwendbar, in welcher die Motor- und Pumpenkolbenvorrichtung einen einzigen Tauchkolben enthält, dessen oberes Ende die Pumpenfläche bildet, wobei die Motorfläche ein kleiner nach abwärts gekehrter Ring ist, der den großen axialen Durchgang für das Fördermittel umgibt. Mit einem Verhältnis, von Pumpenfläche zu Motorfläche von mindestens 3 :1 gemäß der Erfindung ist die Größe dieses abwärts gekehrten Ringes, der die Motorfläche bildet, ziemlich klein, so daß der Durchmesser des axialen Fördermitteldurchgangcs durch den Tauchkolben ein wesentlicher Verhältnisanteil des Gesamtdurchmessers des Tauchkolbens ist, um die Strömungsmittelreibungsvcrlustc aufs Äußerste zu verringern.

Mit dieser Pumpe wird der Arbeitshub des Tauchkolbens durch Anwendung des Auslaßdruckes auf eine nach aufwärts gekehrte ringförmige Fläche des Tauchkolbens bewirkt, während die Anwendung des Druckmitteldruckes auf die abwärts gekehrte ringförmige erwähnte Motorfläche erfolgt, wobei diese beiden ringförmigen Flächen an den Enden eines Abschnittes des Kolbens mit reduziertem Durchmesser angeordnet sind. Der Rückkehrhub des Kolbens wird in der gegenwärtig bevorzugten Ausführung der Erfindung durch Anwendung des Druckmitteldruckes auf die nach aufwärts gekehrte ringförmige Fläche bewirkt, während noch der Druckmitteldruck auf die abwärts gekehrte ringförmige Fläche ausgeübt wird, oder durch Anwendung des Auslaßdruckes auf beide dieser Flächen. Die aufwärts gekehrte ringförmige Fläche ist etwas größer als die abwärts gekehrte ringförmige Fläche, so daß der Rückkehrhub des Kolbens sich aus der Anwendung des Druckmitteldruckes oder des Auslaßdruckes auf beide dieser ringförmigen Flächen ergibt.

Ein anderer Vorteil der Benutzung einer strömungsmittelbetätigten Pumpe mit einem Verhältnis von Pumpfläche zu Motorfläche von 3 :1 oder höher ist der, daß die Motorventilvorrichtung, welche die hin- und hergehende Bewegung des Tauchkolbens durch abwechselnde Anwendung des Auslaßdruckes und des Druckmitteldruckes auf die aufwärts gekehrte ringförmige Fläche des Kolbens erzeugt, längsseits des Kolbens und im Abstand von ihm angeordnet ist. Dadurch wird der Aufbau der eigentlichen Pumpe nicht durch den Motoraufbau behindert.

Die vorhergehenden Zwecke, Vorteile, Merkmale und Ergebnisse der vorliegenden Erfindung zusammen mit verschiedenen anderen Zwecken, Vorteilen, Merkmalen und Ergebnissen derselben, die für Fachleute der strömungsmittelbetätigten Pumpengattung aus dieser Offenbarung klar sind, können mit der beispielsweisen Ausführungsform der Erfindung, die nachfolgend im einzelnen beschrieben und in den Zeichnungen dargestellt sind, erzielt werden. In den Zeichnungen ist

Fig. 1 eine Ansicht, teilweise im Schnitt, einer Anlage einer strömungsmittelbetätigten Pumpe nach der Erfindung in einem Schacht oder Bohrloch,

Fig. 2 eine vergrößerte horizontale Schnittansicht nach Linie 2-2 in Fig. 1,

Fig. 3, 4, 5 und 6 halbschematische, senkrechte Schnittansichten von strömungsmittelbetätigten Pumpen, die verschiedene Verhältnisse von Pumpenfläche zu Motorfläche haben, wobei diese Verhältnisse für die Pumpen dieser Figuren diesbezüglich sind 1,065:1,2:1 und 5:1,

Fig. 7 ein Diagramm, welches die Art zeigt, in welcher ein zunehmendes Verhältnis von Pumpenfläche zu Motorfläche eine Zunahme in dem Durchmesser einer Stange ergibt, die die Kolbenelemente eines kombinierten Motor- und Pumpenkolbens miteinander verbindet und wodurch eine Zunahme in dem Durchmesser eines axialen Fördermitteldurchganges durch diesen Kolben hindurch erzielt wird, Fig. 8 ein Diagramm, welches die Art erläutert, in welcher ein zunehmendes Verhältnis von Pumpenfläche zu Motorfläche eine Abnahme in dem Druckmitteldruckverlust infolge Reibung in der Anlage für verschiedene Rohrgrößen ergibt, und

F i g. 9 ein Diagramm, welches die Wirkung eines

zunehmenden Verhältnisses von Pumpenfläche zu Motorfläche auf das Reziproke des Strömungsmitteldruckverlustes in Prozent des wirklichen oder totalen Druckmitteldruckes erläutert.

In den Fig. 1 und 2 der Zeichnungen ist die Pumpe gemäß der Erfindung so dargestellt, daß sie in einem Bohrloch angebracht ist, welches mit einer Auskleidung 10 mit Löchern 12 versehen ist, durch welche das Fördermittel aus der nicht gezeigten Erzeugungsformation, in welche die Bohrung gebohrt ist, in das Futterrohr fließt. Über dem Futterrohr 10 befindet sich ein Rohrkopf 14, von dem Druckmittelzufuhr- und Rückleitungsrohre 16 und 18 sowie ein Förderrohr 20 herunterhängen. Mit den unteren Enden dieser Rohrleitungen ist ein Grundlochpumpengehäuse 22 verbunden.

Hydraulisch durch das Förderrohr 20 hindurch zwischen der Oberfläche und einer Betriebsstellung bewegbar befindet sich in dem Gehäuse 22 eine freie .strömungsmittelbetätigte Pumpeneinheit 24. Wie nachfolgend mehr im einzelnen erklärt wird, ist die Pumpeinheit von der hin- und hergehenden Gattung und enthält einen Pumpenabschnitt zum Pumpen des Strömungsmittels aus dem Bohrloch nach aufwärts durch das Förderrohr 20 hindurch an die Oberfläche, wobei das Förderrohr verglichen mit den Speise- und Rückleitungsrohren groß ist, um das Pumpen eines großen Volumens von Fördermittel durch dasselbe hindurch mit minimalen Strömungsmittelreibungsverlusten zu gestatten und um die Benutzung einer Pumpenanlage von maximalem Durchmesser zu ermöglichen. Der Pumpenabschnitt der Pumpenanlage 24 wird durch einen Rfrönrjn.is-· mittelbetätigten Motorabschnitt angetrieben. Der letztere wird durch ein Druckströmungsmittcl betätigt, welches daran durch das Speiserohr 16 geliefert wird, während das erschöpfte Druckmittel mit Auslaßdruck in das Rückleitungsrohr 18 abgegeben wird, welches es an die Oberfläche führt. Da, wie nachfolgend besprochen wird, der Motorabschnitt der Pumpeneinheit 24 mit einem kleinen Druckmittelvolumen bei sehr hohem Druck angetrieben wird, sind die Speise- und Rückleitungsrohre 16 und 18 relativ zu dem Förderrohr 20 sehr klein.

Der Druckmitteldruck in dem Speiserohr 16 und der Auslaßdruck in dem Rückleitungsrohr 18 werden auf den Motorabschnitt der Pumpeneinheit 24 unter Steuerung eines Motorventilorgans 26 in einer Weise angewandt, um die hin- und hergehende Bcwc«un£ einer kombinierten Motor- und Pumpenkolbcnvorrichtung 28 (Fig. 3 bis 6) in der Pumpeneinheit 24 zu erzeugen. Die Motorventilvorrichtung 26 ist in einer freien Ventileinheit 30 einverleibt, welche hydraulisch durch das Speiserohr 16 zwischen der Oberfläche und einer Betriebsstellung in dem Gehäuse 22 längs und seitlich im Abstand von der Pumpeneinheit 24 bewegbar ist, wobei die Pumpen- und Ventileinheiten auf diese Weise zwischen ihren Seite-an-Seite-Betriebsstellungen und der Oberfläche unabhängig voneinander bewegbar sind.
: Die Speise-, Rückleitungs- und Förderrohre 16, 18 und 20 sind an ihren oberen Enden mit einer Steuervorrichtung 32 verbunden, die darin nicht gezeigte Ventilmittel besitzt, die durch eine Handhabe 34 betätigt werden, zwecks Verbindung der Speise-, Rückleitungs- und Förderrohre mit den Speise-, Rückleitungs- und Förderlcilungen 36. 3<S und 40 in verschiedener. Weise. Die Speiseleitung 3d ist mit einer geeigneten Druckströmungsmittelquelle, z. B. einer nicht gezeigten Oberflächenpumpenanlage verbunden, während die Rückleitungs- und Förderleitungen 38 und 40 mit geeigneten nicht gezeigten Absetzpunkten für das erschöpfte Druckmittel und das Fördermittel verbunden sind. Wenn die Pumpen- und Ventileinheiten 24 und 30 in dem Bohrloch in Betrieb sind, wird die Handhabe 34 auf eine solche Stellung bewegt, um die Ventilvorrichtung in der

ίο Steuervorrichtung 32 zu veranlassen, die Speise-, Rückleitung:;- und Förderrohre 16,18 und 20 diesbezüglich mit den Speise-, Rückleitungs- und Fürderleitungen 36, 38 und 40 zu verbinden. Unter anderen Bctricbszusta'nden, wie der Entfernung und/oder Installation der

is Pumpeneinheit 24 und/oder dir Ventileinheit 30 kann die Handhabe 34 jedoch in andere Stellungen bewegt werden, um die Ventilvorrichtung in der Steuervorrichtung 32 zu veranlassen, die Speise-, Rückleitungs- und Förderrohre 16,18 und 20 sowie die Speise-, Rückleitungs- und Förderleitungen 36, 38 und 40 in anderer Weise zu verbinden, wie es durch die besondere auszuführende Arbeit erforderlich ist.

Auf der Steuervorrichtung 32 und dicht an den oberen Enden der Speise- und Förderrohrc 16 und 20 sind Verschlüsse 42 und 44 angebracht, die entfernbar sind, um den Einsatz der Ventil- und Pumpeneinheiten 30 und 24 in die Speise- und Förderrohre 16 bzw. 20 einzusetzen oder die Entfernung der Ventil- und Pumpeneinheiten aus den Speise- und Förderrohren zu gestatten. Die Verschlüsse 42 und 44 können mit Ventileinheits- und Pumpeneinheitsanfängern versehen sein, um die Ventil- und Pumpeneinheiten zu fangen, wenn sie hydraulisch aus ihren Betriebsstellungen in dem Gehäuse 22 zur Oberfläche bewegt werden.

Das Vorhergehende bildet nur eine allgemeine Beschreibung des Gebildes und des Betriebes dei hydraulischen Pumpe der Erfindung, wobei es unnötig ist, dieses System noch mehr im einzelnen zu beschreiben, außer bezüglich gewisser Einzelheiten der Pumpeneinheit 24.

Bezüglich Fig. 3 der Zeichnungen ist die Pumpeneinheit 24 schematisch so gezeigt, daß sie ein Gehäuse 46 enthält, welches ein Zylinderorgan 48 für die kombinierte Motor- und Pumpenkolbenvorrichtung 28 bildet. Das Zylinderorgan 48 ist an seinem unteren Ende mit einem Einlaß 50 versehen, der mit dem Inneren des Futterrohres 10 in der Höhe in Verbindung steht, in welche das Pumpengehäuse 22 eingestellt ist, wobei der Einlaß mit einem Saugventil 52 versehen ist, welches den Rückfluß

' in das Bohrloch verhindert. An dem oberen Ende der, Zvlincierorgans befindet sich ein Auslaß 54, der mit dem unteren Ende des Förderrohres 20 in Verbindung steht, so daß das aus dem Bohrloch durch den Einlaß 50 und den Auslaß 54 gepumpte Strömungsmittel in das Förderrohr abgegeben wird, zwecks Überführung zur Oberfläche. Während das Saugventil 52 an dem Einlaß 50 angeordnet gezeigt ist, kann es auch an dem Auslaß 54 angeordnet sein.

Die kombinierte Motor- und Pumpenkolbenvor-

riclitung 28 enthält einen einzigen Tauchkolben 56, der einen Mittclnbschnitt verminderten Durchmessers aufweist, um obere und untere Kolben (Hier Tauchkolbenelemente 58 und 60 zu bilden, die durch eine Stange 62 miteinander verbunden sind. Der Tauchkolben 56 ist mil einem axialen l^;öi"derdiiivh!;an<;64

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verseilen, durch welchen das Fördermittel von dem . mittel dauernd auf die Motorfläche 70 zur Aiiwen-

Einlaß 50 zu dem Auslaß 54 längs einer geraden dung kommt. Der notwendige Unterschied zwischen

axialen Bahn fließen kann, wobei der Rückfluß der Motorfläche 70 und der ringförmigen Fläche 76 durch den Durchgang 64 durch ein Arbeitsventil 66 kann dadurch vorgesehen sein, indem man das verhindert wird, welches von dem Tauchkolben ge- 5 untere Kolbenelement 60 einige wenige Tausendstel

getragen wird. eines Zentimeters größer als das Kolbenelement 58

Der Tauchkolben 56 ist mit einer nach aufwärts herstellt.

gekehrten Pumpflächc 68 versehen, die gleich der Es ist verständlich, daß anstatt den Druckmittelganzen Fläche des oberen Endes des oberen Kolben- druck konstant auf die Fläche 70 anzuwenden und elementes 58 ir.t, welches die ganze Säule des For- ₁₀ abwechselnd den Druckmitteldruck und den Auslaßdermittels in dem Förderrohr 20 während des Auf- druck auf die Fläche 76 anzuwenden, die Arbeitswärts- oder Arbeitshubes des Tauchkolbens trägt und Rückkehrhübe durch abwechselnde Anwendung und welches die Fördermittel während dieses Hubes des Druckmitteldruckes und des Auslaßdruckes nach aufwärts durch das Förderrohr bewegt. Wie er- auf die Fläche 70 bewirkt werden können, während sichtlich ist, ist das Arbeitsventil 66 während des auf- ₁₅ der konstanten Anwendung des Auslaßdruckes auf wärts gerichteten Arbeitshubes des Tauchkolbens 56 die Fläche 76.

geschlossen, und das Saugventil 52 ist geöffnet, um In der in Fig. 3 gezeigten Pumpeneinheit 24 ist

die Strömung des Fördermittels aus dem Bohrloch in das Verhältnis der Pumpenfläche 68 zu der Motor-

das untere Ende des Zylinderorgans 48 durch den fläche 70 nur 1,065 : 1 und, wie klar ist, erfordert

Einlaß 50 während dieses Hubes zu gestatten. V/äh- ₂₀ es ein solches geringes Verhältnis der Pumpenfläche

rend des Abwärts- oder Rückwärtshubes des Tauch- zu der Motorfläche, daß der axiale Durchgang 64

kolbens 56 ist das Ansaugventil 52 geschlossen, um mit kleinem Durchmesser hergestellt wird und erfor-

den Rückfluß in das Bohrloch zu verhindern, und dert ein entsprechend kleines Arbeitsventil 66, wobei

das Arbeitsventil 66 ist offen, um die Verschiebung das Saugventil 52 ebenfalls entsprechend klein sein

des Strömungsmittels von unterhalb de:; Tauchkol- ₂₅ muß, da dort kein Platz sein würde, um es viel

bens 56 durch den axialen Durchgang 64 in das größer als das Arbeitsventil zu machen. Es ist zu

Zylinderorgan 48 über dem Tauchkolben zuzulassen. bemerken, daß der axiale Durchgang 64 in Fig. 3

Auf diese Weise bilden die Pumpenfläche 68 des kleinen Durchmesser hat, selbst wenn die Wanddicke

Tauchkolbens 56 und die Saug- und Arbeitsventile der rohrförmigen Stange 62 auf ein absolutes Mini-

52 und 66 den Pumpenabschnitt der Pumpenein- ₃₀ mum verringert worden ist.

heit 24. In den Fig. 4, 5 und 6 der Zeichnungen ist die

Der Motorabschnitt der Pumpeneinheit 24 schließt Pumpeinheit 24 so gezeigt, daß die Pumpenflächeneinc nach abwärts gerichtete ringförmige Fläche 70 zu Motorflächenverhältnisse von 2:1,3:1 bzw. 5 :1 ein, welche durch das untere Ende des oberen KoI- hat, wobei in den Fig. 3 bis 6 für entsprechende bcnelemcntes 58 gebildet wird und welche die Stange ₃₅ Teile die gleichen Bezugszeichen benutzt sind. Die 62 umgibt. Die Motorfläche 70 in der besonderen fortschreitende Zunahme des Verhältnisses von Pumdargestellten Konstruktion ist dauernd dem Druck- penfläche 68 zu Motorfläche 70 von 1,065 : 1 bis 5 : 1 mitteldruck in einem Zylinder 72 ausgesetzt, in ergibt eine fortschreitende Zunahme des Außenweichem das Kolbenelement 58 hin- und hergeht, durchmessers der rohrförmigen Verbindungsstange wobei der Zylinder 72 in dauernder Verbindung mit _4C 62. Dies schafft eine fortschreitende Zunahme in dem Speiserohr 16 durch einen Kanal 74 hindurch dem Durchmesser des axialen Fördermitteldurchsowie das Motorventilmittel 26 steht. Der Motor- ganges 64 durch den Kolben hindurch und eine entabschnitt der Pumpeneinheit 24 schließt auch eine sprechend fortschreitende Zunahme in den Größen nach aufwärts gekehrte ringförmige Fläche 76 ein, des Saugventils 52 und des Arbeitsventils 66. Auch die durch das obere Ende des unteren Kolbens 60 ₄₅ die Wanddicke der rohrförmigen Verbindungsstange gebildet ist und die Stange 62 umgibt. 62 ist als fortschreitend zunehmend mit dem fort-

Die ringförmige Fläche 76 ist dem Strömungs- schreitend zunehmenden Verhältnis der Pumpenfläche mitteldruck in einem Zylinder 78 ausgesetzt, in 68 zu der Motorfläche 70 gezeigt, um fortschreitend welchem das untere Kolbenelement 60 hin- und verbesserte Baumerkmale zu schaffen,
herbewegbar ist, wobei der Zylinder 78 von dem ₅₀ Es ist ersichtlich, daß das Anwachsen des Pum-Zylinder72 durch eine Abteilung 80 getrennt ist, die penflächen- und Motorflächenverhältnisses erheblich eine Axialbohrung 82 für die Stange 62 besitzt. Der die Strömungsmittelreibungsverluste durch den axia-Zylinder 78 ist mit einem Kanal 84 versehen, welcher len Fördermitteldurchgang 64 wegen des zunehmenabwechselnd mit dem Speiserohr 16 und dem Rück- den Durchmessers dieses Durchganges vermindert leitungsrohr 18 durch das Motorventilmittel 26 ver- 55 und wegen der zunehmenden Größe des Saugventiles bunden ist. Dementsprechend ist die Fläche 76 ab- 52 und des Arbeitsventiles 66. Bei dem Verhältnis wechselnd dem Druckmitteldruck in dem Speiserohr von 1,065:1 in Fig. 3 beträgt der Außendurch-16 unterworfen und dem erschöpften Druckmittel messer der Kolbenstange 62 nur 25 % des Außenoder dem Auslaßdruck in dem Rückleitungsrohr 18. durchmessers des Kolbenelementes 58 des Tauchkol-

Aus der vorhergehenden Konstruktion ist ersieht- 60 bens 56. Unter diesen Bedingungen ist der Durch-

lich, daß, wenn die Fläche 76 dem Auslaßdruck aus- messer des Axialdurchganges 64 notwendigerweise

gesetzt ist, das Druckmittel, welches dauernd auf so klein, daß die Fördermittelgeschwindigkeit durch

die Motorfläche 70 wirkt, den Arbeitshub des Tauch- denselben hindurch einen Wert von mehr als zwan-

kolbcns 56 erzeugt. Die ringförmige Fläche 76 ist zigmal der Geschwindigkeit des Tauchkolbens 56

etwas größer als die Motorfläche 70, so daß, wenn 65 erreichen muß. Dies ergibt schwere Strömungsmittel-

das Druckmittel auf die ringförmige Fläche 76 aus- reibungsverluste und bedeutet eine erhebliche Be-

gcübt wird, der Rückkehrhub des Tauchkolbens 56 schränkung der Tauchkolbengeschwindigkeit und der-

trotz der Tatsache bewirkt wird, daß das Druck- Pumpenkapazität. Indem man auf das 2: 1-Verhält-

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nis in Fi-g. 4 geht, ergibt sich eine wesentliche Ver- auf den Kolben 56 anzuwenden, damit die gleiche besserung. In diesem Falle hat die rohrförmige KoI- Arbeitshubkraft erzielt wird wie mit kleineren Verbenstange 62 einen Durchmesser gleich 70,7 °/o des hältnissen und niedrigeren Druckmitteldrücken.

Durchmessers des Tauchkolbens 56. Unter diesen Wie vorher kurz angegeben war, schafft der Super-

Umständen ist die Fördermittelgeschwindigkeit durch 5 druckbetrieb nach der Erfindung neue und verblüfden Axialdurchgang 64 nur etwa viermal so groß fende Vorteile und Ersparnisse gegenüber irgendwie die Kolbengeschwindigkeit, bei einer Wand- welchen zur Zeit benutzten hydraulischen Pumpen, stärke für die Stange 62, die angemessen ist, um für was am besten durch Vergleich der Resultate des

die notwendige bauliche Festigkeit zu sorgen. Superdruckbetriebes mit den Resultaten des Be-

Jedoch werden optimale Ergebnisse durch die 10 triebes bei· üblichen Drücken gezeigt werden kann.
Benutzung eines Verhältnisses der Pumpenfläche 68 F i g. 8 ist ein Diagramm, welches die Beziehung zu der Motorfläche 70 von 3 :1 oder höher erzielt, zwischen dem »Wirklichen Verlust in Prozent« und wie es in den Fig. 5. und 6 gezeigt ist. Mit diesen dem Verhältnis der Pumpenfläche 68 zu der Motor-Verhältnissen werden, wenn die ringförmige Motor- fläche 70 für drei verschiedene Sätze von Rohrgrößen fläche 70 in der Größe auf einen so kleinen Ver- 15 rvsführt, nämlich einen Durchmesser für das Förhältnisanteil der gesamten Querschnittsfläche des derohr20 von 63,5 mm und einem Durchmesser Kolbenelementes 58 des Kolbens 56 reduziert wird," für die Speise- und Rückleitungsrohre 16 und 18 genügend geringe Fördermittelgeschwindigkeiten von 25,4 mm; einen Durchmesser für das Förderdurch den Axialdurchgang 64 relativ zu der KoI- rohr von 63,5 mm und einen Durchmesser für die bengeschwindigkeit erzielt. Auch hat das Arbeits- 20 Speise- und Rückleitungsrohre von 19,05 mm; und ventil 66 die besten Verhältnisanteile bei einem Ver- einen Durchmesser für das Förderrohr von 63,5 mm hältnis von 3:1 oder höher, und die Strömungsmit- und Durchmesser für die Speise- und Rückleitungstelgeschwindigkeiten durch den Arbeitsventilsitz und rohre von 12,7 mm. Zur Bequemlichkeit sind die in dem Ring zwischen dem Arbeitsventil und dem Rohrsatzgrößen nachfolgend als 63,5X25,4-:nm-Zylinder können annähernd gleich gemacht werden, 25 System, als 63,5X19,05-mm-System und als was erwünscht ist. Diese Faktoren tragen alle dazu 63,5X 12,7-mm-System bezeichnet. Fig. 9 zeigt bei, die Strömungsmittelreibungsverluste durch den in Diagrammform das Verhältnis zwischen dem Kolben 56 mit einer Pumpenfläche zur Motorfläche »Verlustreziproken in Prozent« und dem Verhältnis von 3 : 1. oder höher auf ein Minimum zu verringern. der Pumpenfläche zu der Motorfläche für die drei

Bezüglich F i g. 7 der Zeichnungen zeigt das darin 30 Systeme.

dargestellte Diagramm die Wirkung der Vergröße- Wie deutlich durch Fig. 8 gezeigt ist, nimmt rung des Verhältnisses der Pumpenfläche 68 zu der der Druckverlust infolge Strömungsmittelreibung Motorfläche 70 auf das Verhältnis des Durchmessers schnell ab, wenn das Verhältnis der Pumpenfläche der rohrförmigen Kolbenstange 62 zu dem Durch- 68 zu der Motorfläche 70 erhöht wird. Bei der Bemesser des Kolbenelementes58 des Kolbens56, wo- 35 trachtung der entsprechenden Kurve in Fig. 8 als bei das letztere Verhältnis in Prozenten ausgedrückt Beispiel ist zu sehen, daß, während der »Nettodruckist. Wie Fig. 7 deutlich zeigt, nehmen der Außen- verlust« 16,4% bei einem Verhältnis von 1 : 1 bedurchmesser der rohrförmigen Kolbenstange 62 und trägt, der Verlust auf 1,03 % bei einem Verhältnis so der Durchmesser des Axialdurchganges 64 sowie von 3:1 abfällt, auf 0,626 % bei einem Verhältnis die Größen der Saug- und Arbeitsventile 52 und 66 40 von 4:1 und auf 0,625 % bei einem Verhältnis von rapide mit einer Zunahme in dem Verhältnis der 5:1. Ähnliche Vergleiche können aus Fig. 8 er-Pumpenfläche 68 zu der Motorfläche 70 zu, bis ein halten werden.

Verhältnis von 3:1 erreicht ist, wobei das Ver- Wie Fig. 8 deutlich zeigt, erreichen die Reihältnis des Kolbenstangendurchmessers zu dem bungsverluste für die 63,5X25,4-mm-, 63,5 X Kolbendurchmesser über 3:1 langsam mit einer 45 19,05-mm- und 63,5X12,7-mm-Systeme Minimal-Zunahme in dem Verhältnis der Pumpenfläche zu der werte bei Verhältnissen von Pumpenfläche zur Motorfläche zunimmt. Tatsächlich wird die Kurve Motorfläche von 4:1 bis 5:1 und haben im in Fig. 7 nahezu flach, wenn ein Verhältnis der wesentlichen solche Minimalwerte bei einem Ver-Pumpenfläche 68 zu der Motorfläche 70 von 5 :1 hältnis von 3 :1 erreicht. Jedoch ist in jedem Falle erreicht ist, so daß für alle praktischen Zwecke ein 50 der Druckverlust bei einem Verhältnis von 2 : 1 beVerhältnis von 5 :1 als Maximum angesehen werden trächtlich höher und ist bei einem Verhältnis von kann. 1:1 sehr viel höher. Dementsprechend ist ersichtlich,

Es ist ersichtlich, daß die Seite-an-Seite-Anord- daß ein Verhältnis von Pumpenfläche zur Motornungen der Pumpeneinheit 24 und der Ventileinheit fläche von 3:1 ein Minimum für die Zwecke der 30 wichtig zur Erreichung der besten Resultate mit 55 vorliegenden Erfindung darstellt. Andererseits stellt einem Verhältnis der Pumpenfläche 68 zu der Motor- ein Verhältnis von 5:1 ein praktisches Maxifläche 70 von 3:1 oder mehr sind, weil die Motor- mum dar, weil jede der Kurven in Fig. £ einen ventileinheit nicht mit der Pumpeneinheit zur Stö- minimalen Reibungsverlust bei etwa 5 : 1 zeigt, worung kommt. Dies gestattet es, den maximalen Vor- bei die Nettodruck Verluste über diesem Verhältnis teil des großen Fördermitteldurchganges 64 und des 60 etwas zuzunehmen suchen.

großen Arbeitsventiles 56 zu erzielen, der durch die In Fig. 9, worin das »Verlustreziproke in Provorliegende Erfindung ermöglicht wird, da ein ent- zent« zum Verhältnis von Pumpenfläche zur Motorsprechend großes Saugventil 52 und dementspre- fläche aufgetragen ist, ist auch gezeigt, daß ein Verchend große Durchgänge durch den Rest der Pum- hältnis von 3:1 ein Minimalwert und ein Verhältnis peneinheit 24 verwendet werden können. 65 von 5:1 ein praktischer Maximalwert ist. Es ist

Wenn man ein Verhältnis der Pumpenfläche zur zu bemerken, daß in jedem Falle die Kurven in

Motorfläche von mindestens 3:1 benutzt, erfordert Fig. 9 eine Krümmungsumkehr bei einem Ver-

dies, einen entsprechend hohen Druckmitteldruck hältnis von etwas weniger als 3 : 1 zeigen, wobei

diese Umkehr am ausgeprägtesten in der Kurve für das 63,5X25,4-mm-System ist, aber in den Kurven für die beiden anderen Systeme ebenfalls vorhanden ist. Die drei Kurven verflachen sich praktisch zwischen Verhältnissen von 4:1 und 5 : 1 und haben ihren höchsten Punkt bei einem Verhältnis von 5 : 1 in der gleichen Weise wie die Kurven in F i g. 8, wodurch das Verhältnis von 5:1 als praktisches Maximum feststeht.

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Claims (1)

1. . Patentanspruch:

   Druckmittelbetriebene Kolbenpumpe, insbesondere zur Erdölförderung aus Bohrlöchern, mit einem einen Einlaß und einen Auslaß aufweisenden Pumpenzylinder, einem in diesem Pumpenzylinder zum Pumpen des Fördermittels auf und ab bewegbarem Kolben, der eine obere, die Fördermittelsäule beim Arbeitshub hebende Arbeitskolbenfläche hat,- von der aus sich eine durch ein Ventil verschließbare Axialbohrung für das Fördermittel durch den Kolben hindurch bis zu dessen unterer, das Fördermittel beim Arbeitshub ansaugenden Arbeitskolbenfläche erstreckt, wobei

   der Kolben in seinem mittleren Teil durch Verringerung seines Durchmessers zu einer Stange als Druckmittelmotor mit einer oberen und einer unteren kreisringförmigen Motorkolbenflächc ausgebildet ist, welche beiden Motorkolbcnflüchen durch eine stufenförmige, zwei Motorzylinder bildende Verengung des Pumpenzylinders voneinander getrennt sind und wobei eine der Motorkolbenflächen etwas größer als die andere der Motorkolbenflächen ist und abwechselnd unter dem Druck des Druckmittels steht, welches durch eine Motorventileinrichtung geliefert wird, die sich davon im Abstand befindet, und einem durch die Motorventileinrichtung gelieferten Entleerungsdruck, wobei die andere der Motorkolbenflächen sich konstant unter dem Druck des Druckmittels befindet, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Kolbens (56) in seinem mittleren Teil in einem solchen Maße zu der Stange (62) verringert ist, welches ein Verhältnis der Arbeitskolbenfläche (68) zu der Motorkolbenfläche (70) von mindestens 3 :1 und höchstens 5 :1 ergibt.

   Hierzu 2 Blatt Zeichnungen